Decida qual forma convém à operação: retangular a + jb para somar e subtrair, polar r∠θ para multiplicar, dividir, potências e raízes.
Multiplique com j² = −1; divida multiplicando o numerador e o denominador pelo conjugado do denominador.
Converta com r = √(a² + b²) e θ a partir de um esboço do ponto (verifique o quadrante), e de volta com a = r cos θ, b = r sin θ.
Para potências use De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; para zⁿ = R∠φ liste todas as n raízes R1/n∠((φ + 360°k)/n).
Impedância CA e fasores
Impedâncias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frequência angular
ω = 2πf
Módulo e ângulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Lei de Ohm fasorial
V = I·Z
Método
Converta a frequência: ω = 2πf.
Encontre cada reatância: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
Some as impedâncias como resistores, com Z = R + jX.
Encontre o módulo |Z| = √(R² + X²) e o ângulo φ = atan(X/R), e depois use a lei de Ohm com fasores.
Potência CA e fator de potência
Potência ativa
P = V·I·cos φ
Potência reativa
Q = V·I·sin φ
Potência aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Fator de potência
pf = cos φ = P/S
Capacitor de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Frequência natural
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energia
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Corrente de pico
Imax = V0√(C/L)
Fator de qualidade
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC série
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC paralelo
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Largura de banda
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Frequências de meia potência
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Circuito tanque com resistência da bobina r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Decaimento da amplitude
e−Rt/(2L)
Método
Encontre primeiro a frequência de ressonância: ω₀ = 1/√(LC) e f₀ = ω₀/(2π).
Decida se o circuito é série ou paralelo: no série Q = (1/R)√(L/C), no paralelo Q = R√(C/L).
Use BW = f₀/Q para a largura de banda, ou os atalhos R/(2πL) (série) e 1/(2πRC) (paralelo).
Em questões de energia, use que a energia total ½CV₀² permanece constante em um circuito LC ideal e oscila entre C e L a cada quarto de período.
Potência trifásica
Ligação em Y
VL = √3·Vph, IL = Iph
Ligação em Δ
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potência ativa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potência aparente e reativa
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Capacitores de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensão sobre cada capacitor
Δ: VL Y: VL/√3
Potência de entrada do motor
Pin = Pout/η
Transitórios RC e RL
Constante de tempo
τ = RC | τ = L/R
Resposta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Capacitor em CC
circuito aberto; vC não pode saltar
Indutor em CC
curto-circuito; iL não pode saltar
Regime permanente
t ≈ 5τ
Método
Encontre o valor inicial logo após a comutação: a tensão em um capacitor e a corrente em um indutor não podem saltar.
Encontre o valor final muito tempo depois da comutação: um capacitor se comporta como circuito aberto e um indutor como curto-circuito.
Encontre a constante de tempo: τ = RC ou τ = L/R, usando a resistência vista pelo capacitor ou indutor.
Use x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Thévenin e Norton
Tensão de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistência de Thévenin
Rth: todas as fontes desligadas, vista de a–b
Corrente de Norton
IN = Vth/Rth
Corrente na carga
IL = Vth/(Rth + RL)
Máxima transferência de potência
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Método
Retire a carga e marque os dois terminais a e b.
Encontre a tensão de circuito aberto entre a e b: essa é Vth.
Desligue todas as fontes independentes e encontre a resistência vista de a–b: essa é Rth.
Recoloque a carga no circuito equivalente: Vth em série com Rth.
Para o equivalente de Norton, converta: IN = Vth/Rth, com RN = Rth em paralelo.
2Exercícios
1.Números complexosMédia
Escreva z = −6 + j8 na forma exponencial r·ejθ. Dê θ em radianos, entre −π e π.
z = −6 + j8
θ = rad
2.Números complexosDifícil
Resolva z² + 2z + 26 = 0. As raízes são a ± jb; encontre b > 0.
p = 2q = 26
b =
3.Impedância CA e fasoresMédia
Um resistor e um capacitor estão ligados em paralelo a uma fonte de 12 V (eficaz), 500 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).
V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩC = 47 µF
φ = °
4.Impedância CA e fasoresDifícil
Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 12 V (eficaz), 50 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.
V = 12 V (rms)f = 50 HzR1 = 30 ΩR2 = 50 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Um motor monofásico consome 10 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 240 V. Encontre a corrente de linha I.
P = 10 kWpf = 0,8V = 240 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Uma carga monofásica consome 5 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 230 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,98. Encontre a capacitância C necessária.
P = 5 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
Um capacitor de 10 pF carregado a 12 V oscila com um indutor ideal de 22 mH. Encontre a energia WL armazenada no indutor no instante em que a tensão do capacitor é 9,6 V, em nJ.
C = 10 pFV0 = 12 VvC = 9,6 V
WL = nJ
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
Um circuito ressonante série usa um indutor de 47 µH. Que resistência série total R dá uma largura de banda de 5 kHz?
L = 47 µHBW = 5 kHz
R = Ω
9.Potência trifásicaMédia
Uma carga equilibrada ligada em Δ com impedância de 20 + j15 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 415 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.
VL = 415 VZ = 20 + j15 Ω por fase
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 150 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma alimentação de 480 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.
P = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitórios RC e RLMédia
O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W(∞) armazenada no indutor depois que o circuito se estabiliza, em mJ.
Vs = 6 VR = 20 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 12 V com a polaridade indicada. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 200 ms.
Vs = 5 VR = 10 kΩC = 10 µFvC(0) = 12 Vt = 200 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMédia
Encontre a resistência de Thévenin Rth vista dos terminais a–b.
V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifícil
Encontre a tensão de Thévenin Vth vista dos terminais a–b.
V1 = 36 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
15.Diagramas de Bode e margensMédia
O Filtro passa-altas RL mostrado tem R = 1000 Ω, L = 1 mH. Aplica-se uma entrada senoidal de 40 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.
R = 1000 ΩL = 1 mHf = 40 kHz
φ = °
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 800/(s(s + 8)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.
L(s) = 800/(s(s + 8))
ωc = rad/s
3Soluções
1.Números complexos
Resposta: θ = 2,214 rad
Forma polar: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, com r = |z| e θ = arg z. De volta à forma retangular: a = r cos θ, b = r sin θ. O argumento exige o quadrante: θ = atan(b/a) somente quando a > 0; para a < 0 some ou subtraia 180°. Na forma polar a multiplicação é fácil: multiplique os módulos e some os argumentos; para a divisão, divida os módulos e subtraia os argumentos.
Módulo
r = √(36 + 64) = 10
Argumento em radianos
θ = 126,9° = 126,9·π/180 = 2,214 rad
Forma exponencial
z = 10·ej2,214
Resposta
θ = 2,214 rad
2.Números complexos
Resposta: b = 5
De Moivre e raízes: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. A equação zⁿ = R∠φ tem exatamente n raízes, todas com módulo R1/n, nos argumentos (φ + 360°·k)/n para k = 0, 1, …, n − 1: elas ficam igualmente espaçadas sobre uma circunferência, a 360°/n uma da outra. Uma equação quadrática z² + pz + q = 0 com p² < 4q tem as raízes complexas z = −p/2 ± j√(q − p²/4); um polinômio com coeficientes reais sempre tem suas raízes complexas em pares conjugados a ± jb.
Discriminante
p² − 4q = 4 − 104 = −100 < 0
Fórmula quadrática
z = (−2 ± j√100)/2 = −1 + j5, −1 − j5
Resposta
b = 5
Resposta
b = 5
3.Impedância CA e fasores
Resposta: φ = −74,84 °
Circuitos CA com fasores: resistores, indutores e capacitores têm impedâncias R, jωL e 1/(jωC), com ω = 2πf. Em série, as impedâncias se somam como resistências, mas como números complexos. Corrente e tensão rms seguem a lei de Ohm com |Z|.
Reatância
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·500·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω
Correntes de ramo
Os dois ramos estão ligados diretamente à fonte, então cada um recebe a tensão total V.
IR = V/R = 12/25 = 0,48 A
IX = V/XC = 12/6,773 = 1,772 A
Corrente total
A corrente do resistor está em fase com V e a corrente reativa está defasada de 90°, então se somam como os lados de um triângulo retângulo.
I = √(IR² + IX²) = √(0,48² + 1,772²) = 1,836 A
Ângulo de fase
A corrente do capacitor está adiantada em relação a V, então a corrente total fica adiantada e o ângulo é negativo.
Circuitos CA com fasores: resistores, indutores e capacitores têm impedâncias R, jωL e 1/(jωC), com ω = 2πf. Em série, as impedâncias se somam como resistências, mas como números complexos. Corrente e tensão rms seguem a lei de Ohm com |Z|.
Reatância
XC = 1/(2π·50·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω
Associação em paralelo
Multiplique numerador e denominador pelo complexo conjugado para separar Zp em partes real e imaginária.
Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.
Corrente de linha
Só a parte ativa da potência realiza trabalho, então divida pelo fator de potência.
I = P/(V·cos φ) = 10000/(240·0,8) = 52,08 A
Resposta
I = 52,08 A
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: C = 242,2 µF
Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.
Potência reativa antes e depois
A potência ativa P não muda; só muda a potência reativa tirada da rede.
Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(49,46°) = 5,846 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(11,48°) = 1,015 kvar
QC = Q1 − Q2 = 4,83 kvar
Capacitância
Um capacitor ligado à fonte fornece Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 4830/(2π·60·230²) = 242,2 µF
Resposta
C = 242,2 µF
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Resposta: WL = 0,2592 nJ
Ressonância LC: um capacitor carregado ligado a um indutor produz uma corrente que o carrega no sentido oposto: a energia oscila entre o campo elétrico de C (½Cv²) e o campo magnético de L (½Li²) na frequência natural f0 = 1/(2π√(LC)). Sem resistência, a energia total ½CV0² permanece constante, de modo que a corrente de pico é Imax = V0√(C/L). Um período é T = 1/f0; a energia passa de C para L em um quarto dele.
Energia total
½·1 × 10⁻¹¹·12² = 7,2 × 10⁻¹⁰ J
Energia que resta no capacitor
½·1 × 10⁻¹¹·9,6² = 4,608 × 10⁻¹⁰ J
Energia no indutor
WL = 2,592 × 10⁻¹⁰ J = 0,2592 nJ
Resposta
WL = 0,2592 nJ
8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Resposta: R = 1,477 Ω
Fator Q e largura de banda: em um circuito ressonante, Q = 2π·(energia armazenada)/(energia perdida por ciclo). No RLC série, Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); no RLC paralelo, Q = R/(ω0L) = R√(C/L). A largura de banda entre as frequências de meia potência f1 e f2 (em que a potência é a metade e a corrente ou a tensão é 1/√2 do pico) é BW = f2 − f1 = f0/Q, que vale R/(2πL) em série e 1/(2πRC) em paralelo. A frequência de ressonância é a média geométrica f0 = √(f1f2), e f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). As perdas também fazem a oscilação decair: no RLC série, a amplitude cai como e−Rt/(2L).
Largura de banda em série
BW = R/(2πL)
Resistência
R = 2π·4,7 × 10⁻⁵·5000 = 1,477 Ω
Resposta
R = 1,477 Ω
9.Potência trifásica
Resposta: P = 16,53 kW
Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Tensão de fase
Vph = VL = 415 V
Corrente de fase
|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A
Potência ativa total
Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.
P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·20 = 16,53 kW
Resposta
P = 16,53 kW
Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.
10.Potência trifásica
Resposta: QC = 82,04 kvar
Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Correção do fator de potência: os capacitores fornecem potência reativa localmente, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada um dos três capacitores fornece QC/3 = V²·ω·C, onde V é a tensão sobre aquele capacitor: VL em um banco em Δ, VL/√3 em um banco em Y.
Potência reativa antes e depois
A potência ativa não muda, então cada fator de potência fixa a potência reativa: Q = P·tan φ.
Q1 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 82,04 kvar
Resposta
QC = 82,04 kvar
11.Transitórios RC e RL
Resposta: W(∞) = 2,115 mJ
Transitórios de primeira ordem: em um circuito com um capacitor ou um indutor, toda tensão e corrente vai exponencialmente do valor inicial ao valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, com τ = RC ou τ = L/R. Depois de cerca de 5τ o circuito se estabiliza.
Constante de tempo e corrente final
Muito depois de a chave fechar, o indutor se comporta como um curto, então a corrente final depende só de R.
τ = L/R = 47 mH / 20 Ω = 2,35 ms
i(∞) = Vs/R = 6/20 = 0,3 A
Energia armazenada
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·0,3² = 2,115 mJ
Resposta
W(∞) = 2,115 mJ
12.Transitórios RC e RL
Resposta: vC = 5,947 V
Transitórios de primeira ordem: em um circuito com um capacitor ou um indutor, toda tensão e corrente vai exponencialmente do valor inicial ao valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, com τ = RC ou τ = L/R. Depois de cerca de 5τ o circuito se estabiliza.
Valor inicial, valor final, constante de tempo
A tensão no capacitor não pode saltar, então começa no valor armazenado e vai em direção à tensão da fonte.
vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 10 µF = 100 ms
vC(t) = 5 + (12 − 5)·e−t/τ
Tensão no instante dado
vC(200) = 5 + (7)·e−200/100 = 5,947 V
Resposta
vC = 5,947 V
13.Thévenin e Norton
Resposta: Rth = 5,857 Ω
Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.
Encontre Rth com todas as fontes desligadas
Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.
R1 ∥ R2 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 3 = 5,857 Ω
14.Thévenin e Norton
Resposta: Vth = 62,67 V
Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.
Encontre Rth com todas as fontes desligadas
Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.
R1 ∥ R2 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 12 = 14,22 Ω
Encontre Vth, a tensão de circuito aberto
Com a–b aberto, o único caminho para Iₛ é por R₃ até o nó A. Encontre V_A por superposição de V₁ e Iₛ, depois some a queda em R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 20 + 3·2,222 = 26,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 26,67 + 3·12 = 62,67 V
15.Diagramas de Bode e margens
Resposta: φ = 75,89 °
Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.
Frequência de corte
ωc = R/L = 1000/0,001 = 1 × 10⁶ rad/s
fc = 159155 Hz → f/fc = 40000/159155 = 0,2513
Fase
φ = 90° − atan(0,2513) = 75,89°
Resposta
φ = 75,89°
16.Diagramas de Bode e margens
Resposta: ωc = 27,72 rad/s
Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.